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Die
Erfindung betrifft eine Magnetresonanzanlage mit Komponenten umfassend
eine Magnetfelderzeugungseinheit zur Erzeugung eines Grundmagnetfeldes,
Gradientenspulen zur Erzeugung eines Feldgradienten sowie eine Hochfrequenzspulenanordnung
mit mehreren Hochfrequenzspulen zum Senden und Empfangen von Hochfrequenzsignalen, welche
Komponenten jeweils durch wenigstens eine Digitalbaugruppe und wenigstens
eine Analogbaugruppe gemäß einer
Sequenz ansteuerbar sind, wobei die Analogbaugruppen extern zu einem
die Digitalbaugruppen ansteuernden Steuerrechner angeordnet sind.
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Moderne
Magnetresonanzanlagen umfassen eine Vielzahl von Komponenten, die
im Rahmen eines Messvorgangs, also insbesondere einer Sequenz, unter
Beachtung fester zeitlicher Zusammenhänge angesteuert werden müssen. Zu
diesen Komponenten zählen
beispielsweise eine Magnetfelderzeugungseinheit zur Erzeugung eines
Grundmagnetfeldes, Gradientenspulen zur Erzeugung eines Feldgradienten
und eine Hochfrequenzspulenanordnung mit mehreren Hochfrequenzspulen
zum Senden und Empfangen von Hochfrequenzsignalen. Da derlei Komponenten üblicherweise
analog betrieben werden, die Ansteuerung aber digital abläuft, ist
auf dem Ansteuerungsweg zu diesen Komponenten eine Digitalbaugruppe
und eine Analogbaugruppe vorgesehen.
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Betrachtet
man den beispielhaften Fall der Hochfrequenzspulenanordnung, so
wird häufig
zwischen Sendebaugruppen und Empfangsbaugruppen unterschieden. Eine
Analogempfangsbaugruppe umfasst beispielsweise eine Elektronik,
mit der das empfangene Signal zunächst demoduliert wird. Zudem wird
das Signal durch einen A/D-Wandler in ein Empfangsdigitalsignal
umgewandelt. In der Digitalempfangsbaugruppe wird das Empfangsdigitalsignal
digital demoduliert und weiter verarbeitet. Hierzu ist das Signal
einer Frequenzerzeugungseinheit, meist eines NCO (Numerically Controlled
Oscillator), wie auch eine Zwischenfrequenz erforderlich. Solche Empfangsbaugruppen
können
beispielsweise eine bestimmte Zahl von Empfangskanälen bearbeiten.
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Aufgrund
des für
das Messverfahren entscheidenden Einhaltens des vorgegebenen Zeitplans,
wobei jede Komponente zu einer genau bestimmten Zeit bestimmte Aktionen
durchführen muss,
wurde daher ein zentrales Steuerungskonzept vorgeschlagen, bei dem
die Digitalbaugruppen in den Steuerungsrechner integriert sind.
Mit dem Systemtakt des Steuerungsrechners und gegebenenfalls einer
Uhr oder Zeitmarke ist es dann möglich,
Synchronität
und Isochronität
herzustellen. Die Digitalbaugruppen können dann beispielsweise als
an einen Bus innerhalb des Steuerrechners anschließbare Module
ausgebildet sein.
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Bei
solchen zentral organisierten Steuerungssystemen muss beim Entwurf
ein zukünftiger Maximalausbau
berücksichtigt
werden, da die Kapazitäten
des Steuerrechners sowohl räumlich
als auch leistungsbezogen beschränkt
sind. Zum Zeitpunkt des Entwurfs ist dieser Maximalausbau jedoch
nicht für
alle Systemfunktionalitäten,
also Komponenten, exakt planbar, da die technischen Entwicklungen
rasant voranschreiten.
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Dabei
kommt es nachteilhafter Weise bei den aktuellen Steuerungssystemen
häufig
zu Minderbestückungen
oder gar zu Engpässen,
wenn die Erweiterungsmöglichkeiten
nicht ausreichen.
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Zur
Lösung
dieser Problematik wurden bereits einige Nischenlösungen offenbart.
So wurde beispielsweise vorgeschlagen, auf der Anregungsseite bezüglich der
Hochfrequenzspulenanordnung ein Klonkonzept zu realisieren, bei
welchem der Steuerrechner mehrfach vorhanden ist und einer der Steuerrechner
als Master, die anderen als Slaves verschaltet sind. Diese Lösung ist
technisch sehr aufwändig
und unwirtschaftlich und bezieht sich lediglich auf einen Teilaspekt
einer Komponente. Auch für
die Empfangsseite ist eine solche Einzellösung bekannt, wobei letztendlich
eine aus dem Steuerrechner ausgelagerte Buserweiterung vorgeschlagen
wird. Auch damit ist keine vollständige und wirtschaftliche Lösung des
oben genannten Problems dargelegt.
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Der
Erfindung liegt dabei die Aufgabe zugrunde, eine Magnetresonanzanlage
anzugeben, die eine größere und
kostengünstigere
Ausbaubarkeit des Systems ermöglicht.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist bei einer Magnetresonanzanlage der eingangs genannten
Art erfindungsgemäß vorgesehen,
dass die Digitalbaugruppen extern zum Steuerrechner angeordnet und der
oder den darüber
angesteuerten Analogbaugruppen zugeordnet sind, wobei zur Kommunikation
der Digitalbaugruppen mit dem Steuerrechner ein Datennetzwerk und
zur Synchronisierung der Digitalbaugruppen und des Steuerrechners
ein synchrones Netzwerk vorgesehen sind.
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Es
ist vorgesehen, dass die Digitalbaugruppen im Vergleich zum bekannten
Stand der Technik aus dem Steuerrechner entfernt und extern, beispielsweise
in einem eigenen Gehäuse,
angeordnet werden. Dabei ist eine insbesondere räumliche Zuordnung zu der oder
den darüber
angesteuerten Analogbaugruppen gegeben. Erfindungsgemäß wird demnach
im Wesentlichen vorgeschlagen, dass von einer zentralen zu einer
dezentralen Anordnung übergegangen
wird. Es wird von dem bislang bekannten Bussystem auf ein Netzwerksystem
umgestellt, so dass eine nahezu unbegrenzte und gleichzeitig kostengünstige Ausbaubarkeit
des Systems ermöglicht
wird, die dann lediglich noch durch die Bandbreite der entsprechenden
Netzwerke begrenzt ist. Mit besonderem Vorteil kann jedoch auch
vorgesehen sein, dass die Netzwerke skalierbar ausgelegt sind. Dann
wird auch die Begrenzung durch die Bandbreite des Netzwerks aufgehoben.
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Wie
bereits erwähnt,
ist der genaue zeitliche Ablauf in einer Magnetresonanzanlage beziehungsweise
dessen Befolgung besonders kritisch. In der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Konfiguration wirkt der Steuerrechner letztendlich als ein Kommunikationsknoten,
der die Informationen über
die als nächstes
erfolgende Sequenz dekodiert und in einzelne Steuerbefehle für die Komponenten
aufteilt, die im Prinzip die Anweisung enthalten, was wann zu tun ist.
Damit das „wann" auch von jeder der
Digitalbaugruppen gleich interpretiert wird, wodurch eine korrekte
Sequenz erst ermöglicht
wird, muss zum einen zwischen dem Steuerrechner und den Digitalbaugruppen
ein gemeinsamer Systemtakt vorliegen, zum anderen muss eine Referenzzeit
vorgegeben sein. Die Synchronisierung der Digitalbaugruppen wird über das
zusätzlich
zum Datennetzwerk, über das
die Steuerbefehle und selbstverständlich auch beispielsweise
Messdaten übertragen
werden, vorgesehene synchrone Netzwerk realisiert. Über die Synchronisation
und die gleiche Referenzzeit ist es dann auch möglich, die bereits erwähnten Frequenzerzeugungseinheiten
(insbesondere NCO's) über geeignete
Steuerbefehle, die die Parametrierung und den Zeitpunkt des Starts
enthalten, so anzusteuern, dass die für Magnetresonanzmessungen kritischen Kohärenzbedingungen
eingehalten werden.
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Mit
besonderem Vorteil kann das Datennetzwerk als ein zumindest teilisochrones,
insbesondere isochrones Netzwerk ausgebildet sein. Es muss dafür gesorgt
werden, dass gewisse Daten innerhalb eines bestimmten Zeitraums
zwischen den Netzwerkknoten ausgetauscht werden. Dies wird durch
ein solches teilisochrones beziehungsweise isochrones Netzwerk ermöglicht.
Ein teilisochrones Netzwerk liegt dann vor, wenn für bestimmte
Komponenten die Isochronität
beispielsweise nicht erforderlich ist. In einem isochronen Netzwerk
beziehungsweise dem isochronen Teil eines teilisochronen Netzwerks
ist sichergestellt, dass Daten innerhalb eines bestimmten, periodischen
Zeitfensters ihren Bestimmungsort, hier ihre Bestimmungsdigitalbaugruppe
beziehungsweise den Steuerrechner, erreicht haben. Ein solcher Zeittakt
kann beispielsweise 10 μs
oder 10 ms betragen. Innerhalb eines solchen Zeitfensters müssen dann alle
vorhandenen Digitalbaugruppen ihre entsprechenden Informationen
aus dem Netzwerk erhalten haben. Bei einem Datennetzwerk mit einer
Ringtopologie kann dies beispielsweise die Zeit sein, in der ein Datenpaket
den gesamten Ring durchläuft,
wobei sich die entsprechenden Digitalbaugruppen ihre Informationen
dann entnehmen, wenn das Datenpaket sie durchläuft. Für die Steuerbefehle ist in
diesem. Zusammenhang wichtig, dass diese demnach in jedem Fall vor
dem Zeitpunkt ihrer Ausführung
schon die entsprechende Digitalbaugruppe erreicht haben und mit
Eintritt des Zeitpunkts dann gültig
werden.
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Mit
besonderem Vorteil kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine Digitalbaugruppe
gemeinsam mit der wenigstens einen darüber angesteuerten Analogbaugruppe
in ein externes Arbeitsgerät,
insbesondere einen Leistungsverstärker, eingebaut ist. Dann fasst
ein externes Gerät
baulich eine oder mehrere Digitalbaugruppen und die zugehörigen Analogbaugruppen
zusammen. Im Beispiel der Gradientenspulen oder der Anregungsseite
der Hochfrequenzspulen können
beispielsweise die Digitalbaugruppen in den ohnehin vorhandenen
Leistungsverstärkergehäusen untergebracht
werden.
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Zweckmäßigerweise
kann das synchrone Netzwerk eine im Steuerrechner angeordnete Synchronisationsbaugruppe
umfassen, welche über Synchronisationsleitungen
in den Digitalbaugruppen oder dem Arbeitsgerät angeordnete Synchronisationseinheiten
ansteuert. Die Synchronisationsbaugruppe im Steuerrechner gibt demnach
die Signale vor, die dann über
die Leitungen an die entsprechenden Synchronisationseinheiten verteilt
werden. Über das
synchrone Netzwerk kann insbesondere ein von der Synchronisationsbaugruppe
erzeugter Systemtakt übertragen
werden. Ein solcher Systemtakt, der beispielsweise 10 MHz betragen
kann, wird bereits in den im Stand der Technik verwendeten zentralen
Anordnungen genutzt. Sind demnach die Digitalbaugruppen und der
Steuerrechner auf demselben Systemtakt synchronisiert, so kann die
bekannte Elektronik so weiter verwendet werden, als wäre sie noch
im Steuerrechner angeordnet.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich, wenn ein Zeittakt
des als teilisochrones, insbesondere isochrones Netzwerk ausgebildeten Datennetzwerks
ein ganzzahliges Vielfaches des Systemtakts ist. Dadurch können durch
das isochro ne Netzwerk bedingte Störsignale leichter unterdrückt werden.
Zudem kann im isochronen Netzwerk kein Datenschlupf zwischen der
sendenden und der empfangenden Einheit entstehen. In weiterer Ausgestaltung
ist es auch denkbar, dass die Taktrate des zumindest teilisochronen
Netzwerks genau dem Systemtakt entspricht. Dann können beispielsweise Steuerbefehle
innerhalb eines Systemtakts an die verschiedenen Digitalbaugruppen
ausgeliefert werden und erhalten während des darauf folgenden
Systemtakts ihre Gültigkeit.
Weitere Zeitreferenzen neben dem Systemtakt sind in diesem Fall
nicht mehr nötig,
da der Systemtakt selber als eine Zeitmarke dienen kann.
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Um
eine Zeitreferenz zu schaffen und zu ermöglichen, dass Steuerbefehle
zum richtigen Zeitpunkt ausgeführt
werden, sind in der erfindungsgemäßen Magnetresonanzanlage mehrere
Ausgestaltungen denkbar. Grundsätzlich
kann dabei zwischen einer Zeitmarke, die innerhalb eines der Netzwerke übertragen
wird, und in den einzelnen Digitalbaugruppen beziehungsweise Synchronisationseinheiten
und der Synchronisationsbaugruppe enthaltenen Zeitgebern, insbesondere
Uhren, die synchron laufen und zu einem bestimmten Zeitpunkt auf
die gleiche Zeit gesetzt werden, unterschieden werden
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So
kann vorgesehen sein, dass zusätzlich
zu dem Systemtakt eine Zeitmarke zur Markierung eines Referenzzeitpunktes übertragbar
ist. Die Übertragung
dieser Zeitmarke, die beispielsweise in regelmäßigen, also periodischen Abständen erfolgen kann,
kann erfindungsgemäß auf unterschiedliche Art
realisiert werden. Zunächst
ist denkbar, dass die Zeitmarke auf den Systemtakt aufmoduliert
wird. In diesem Fall ist in der Empfängerbaugruppe eine entsprechende
Filteranordnung vorzusehen, die die Auftrennung ermöglicht.
Weiter kann vorgesehen sein, dass die Zeitmarke durch eine Amplitudenerhöhung des
Systemtakts realisiert ist. Dies hat den Vorteil, dass kein Störeinfluss
auf die Phase des Systemtaktes auftritt. Um solche Störeinflüsse ganz
zu vermeiden, kann auch vorgesehen sein, das das synchrone Netzwerk
erste Synchronisationsleitungen zur Übertragung des Systemtakts
und zweite Synchroni sationsleitungen zur Übertragung der Zeitmarke umfasst.
In einer weiteren Alternative kann auch vorgesehen sein, dass die
Zeitmarke über
das Datennetzwerk übertragbar
ist. In diesem Fall muss jedoch sichergestellt sein, dass sie die
Digitalbaugruppen – gegebenenfalls
innerhalb einer kleinen, erlaubten, zeitlichen Toleranz – zeitgleich
erreicht, damit der Sequenzablauf und die Kohärenzbedingungen aufrechterhalten
werden könnten.
Denkbar wäre
eine solche Realisierung beispielsweise dann, wenn das Datennetzwerk
eine Sterntopologie aufweist.
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In
der bereits erwähnten
alternativen Ausgestaltung können
die Digitalbaugruppen beziehungsweise Synchronisationseinheiten
sowie die Synchronisationsbaugruppe einen Zeitgeber umfassen, wobei
alle Zeitgeber über
das synchrone Netzwerk synchronisierbar und über das synchrone Netzwerk
oder das Datennetzwerk auf die gleiche Zeit einstellbar sind. Dadurch
wird im gesamten Steuerungssystem sozusagen eine globale Zeit festgelegt,
wobei die in den Steuerbefehlen enthaltenen Gültigkeitszeitpunkte anhand
dieser Zeit angegeben sind. Zur Einstellung auf die gleiche Zeit
ist zum einen denkbar, dass ein Reset-Signal zum synchronen Neustarten
aller Zeitgeber übertragbar
ist, zum anderen oder auch zusätzlich
kann ein eine Zeit umfassendes Zeitsignal übertragbar sein, wobei die
Zeitgeber auf die Zeit einstellbar sind. Die Übertragung der Signale kann
im Wesentlichen in gleicher Ausgestaltung wie bei der Übertragung
der Zeitmarke erfolgen. So kann vorgesehen sein, dass das oder die
Signale auf den Systemtakt aufmoduliert oder über eine Amplitudenerhöhung des
Systemtakts realisiert sind, dass das synchrone Netzwerk erste Synchronisationsleitungen zur Übertragung
des Systemtakts und zweite Synchronisationsleitungen zur Übertragung
des oder der Signale umfassen oder dass das oder die Signale über das
Datennetzwerk übertragbar
sind.
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Es
ist jedoch auch möglich,
dass der Steuerrechner zum Abgleich der Zeitgeber über einen
ein Netzwerk nutzenden Angleichungsalgorithmus ausgebildet ist.
Solche Angleichungsal gorithmen sind konvergente Algorithmen, die
dazu führen,
dass alle Zeitgeber im System einen identischen Wert anzeigen. Ein
Beispiel für
einen solchen Algorithmus soll im Folgenden beschrieben werden.
So kann vorgesehen sein, dass beim Einschalten der Magnetresonanzanlage
beziehungsweise der Netzwerke eine Lernphase gestartet wird. Dann
verschickt der Steuerrechner den aktuellen Zeitgeberstand, also
die aktuelle Uhrzeit, an die Digitalbaugruppen. Die Digitalbaugruppen
setzen ihre Zeitgeber auf die ankommende Uhrzeit und schicken ihre
aktuelle Uhrzeit an den Steuerrechner zurück. Dieser vergleicht die ankommende
Uhrzeit mit seiner und ermittelt die Differenz, wonach die Hälfte der
Differenz auf seine aktuelle Uhrzeit addiert wird und der erhaltene
Wert an die Digitalbaugruppen verschickt wird. Diese setzen wiederum
ihre Zeitgeber auf die ankommende Uhrzeit und schicken die aktualisierte
Uhrzeit an den Steuerrechner zurück.
Dieser addiert die oben ermittelte Differenz und vergleicht mit
seiner aktuellen Uhrzeit. Falls noch immer eine Differenz vorliegt,
wird wieder die Hälfte
der Differenz auf seine Uhrzeit addiert und der Wert an die Digitalbaugruppen
verschickt. Diese Schritte können
gegebenenfalls weiter iteriert werden, bis bereits nach wenigen
Durchläufen alle
Zeitgeber synchron gehen und den identischen Wert anzeigen.
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Mittels
einem als isochrones Netzwerk ausgebildeten Datennetzwerk und einem
synchronen Netzwerk ist daher eine ideale Einhaltung aller zeitlichen
Bedingungen möglich.
Durch das isochrone Netzwerk werden alle kritischen Komponenten
in etwa zeitgleich angesteuert. Die endgültige Synchronisation wird
dann durch den Systemtakt und entweder die Zeitmarke oder die Uhrzeit
des Zeitgebers gewährleistet.
Insbesondere ist es in einem solchen System auch möglich, die
jetzt verteilt vorliegenden Frequenzerzeugungseinheiten, insbesondere NCO's, geeignet anzusteuern,
so dass die Frequenz- und Phasenbedingungen der Hochfrequenzsignale, also
die Kohärenzbedingungen,
gewährleistet
sind.
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Um
unterschiedliche Laufzeiten in dem synchronen Netzwerk zu verhindern,
kann vorgesehen sein, dass das synchrone Netzwerk eine Sterntopologie
aufweist. Diese ist ideal geeignet, um unterschiedliche Laufzeiten
möglichst
zu verhindern. Realisiert werden kann eine solche Sterntopologie
beispielsweise durch wenigstens einen Splitter, über den das Signal zeitgleich
auf verschiedene Leitungen gegeben werden kann.
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Das
Datennetzwerk kann eine Baumtopologie oder eine Ringtopologie oder
eine Sterntopologie aufweisen. Üblicherweise
wird auf Grund des geringeren Verbindungsaufwands eine Ringtopologie
verwendet.
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Als
Komponenten können
zusätzlich
zu den schon genannten Komponenten weiterhin auch ein Shimsystem
und/oder ein Überwachungssystem und/oder
ein Spuleninterface vorgesehen sein. Auch weitere Komponenten, die
im Rahmen des Betriebs der Magnetresonanzanlage angesteuert werden, können in
das erfindungsgemäße Steuerungssystem problemlos
integriert werden.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich
aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand
der Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Magnetresonanzanlage,
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2 das
Steuerungssystem der erfindungsgemäßen Magnetresonanzanlage nach
einer ersten Ausführungsform,
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3 das
Steuerungssystem einer erfindungsgemäßen Magnetresonanzanlage nach
einer zweiten Ausführungsform,
und
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4 das
Steuerungssystem einer erfindungsgemäßen Magnetresonanzanlage nach
einer dritten Ausführungsform.
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1 zeigt
schematisch eine erfindungsgemäße Magnetresonanzanlage 1.
Sie umfasst eine Magneteinheit 2, in der auch die Patientenaufnahme 3 ausgebildet
ist, in der ein möglichst
homogenes Feld im Isozentrum erzeugt wird. Weiterhin umfasst die
Magnetresonanzanlage 1 eine Mehrzahl von Komponenten 4,
die hier nur schematisch dargestellt sind. Die Komponenten 4 umfassen
in diesem Fall eine Magnetfelderzeugungseinheit 5, Gradientenspulen 6,
eine Hochfrequenzspulenanordnung 7, ein Shimsystem 8 zur
Verbesserung der Homogenität des
Magnetfelds, ein Überwachungssystem 9 für allgemeine Überwachungsaufgaben
sowie ein Spuleninterface 10. Den Komponenten 4 ist
in diesem Fall jeweils ein Arbeitsgerät 11 zugeordnet. Es
sind jedoch auch Konstellationen denkbar, in denen mehrere Komponenten 4 einem
Arbeitsgerät 11 zugeordnet sind
oder mehrere Arbeitsgeräte 11 einer
Komponente 4. Die Arbeitsgeräte 11 enthalten verschiedene Einheiten,
die beispielsweise Steuerungseinheiten, Versorgungseinheiten, Messeinheiten
und dergleichen umfassen können.
Insbesondere sind in den Arbeitsgeräten 11 jeweils wenigstens
eine Digitalbaugruppe 12 und wenigstens eine dieser zugeordnete Analogbaugruppe 13 enthalten,
welche die Komponenten 4 gemäß einer Sequenz ansteuern.
Aus Übersichtlichkeitsgründen sind
die Analog- und Digitalbaugruppen 13, 12 nur in
den beiden außen
dargestellten Arbeitsgeräten 11 eingezeichnet.
Die Arbeitsgeräte 11 können auch
weitere Funktionen erfüllen. Beispielsweise
können
die Arbeitsgeräte 11 für die Hochfrequenzspulenanordnung 7 und/oder
die Gradientenspulen 6 die entsprechenden Leistungsverstärker sein.
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Zusätzlich ist
ein Steuerrechner 14 vorgesehen, der beispielsweise die
durchzuführende
Sequenz von außerhalb,
beispielsweise einer Bedieneinheit 15 oder einem externen
Rechner 16 erhält.
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Ersichtlich
sind die Digitalbaugruppen 12 extern zu dem Steuerrechner 14 angeordnet
und den von ihnen angesteuerten Analogbaugruppen 13 zugeordnet,
in diesem Fall in einem gemeinsamen Arbeitsgerät 11 eingebaut. Zur
Kommunikation bilden die Digitalbaugruppen 12 und der Steuerrechner 14 zwei
Netzwerke, nämlich
ein Datennetzwerk und ein synchrones Netzwerk, die mit Bezug auf
die 2 bis 4 nun für verschiedene Ausführungsbeispiele
näher erläutert werden
sollen.
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2 zeigt
das Steuerungssystem einer Magnetresonanzanlage 1 gemäß einer
ersten Ausführungsform.
Der Steuerrechner 14 ist dabei über zwei verschiedene Netzwerke
mit den Digitalbaugruppen 12 vernetzt, nämlich ein
isochrones Datennetzwerk 17 mit einer Ringtopologie und
ein synchrones Netzwerk 18 mit einer Sterntopologie.
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In
den Arbeitsgeräten 11 ist
jeweils wenigstens eine Analogbaugruppe 13 und wenigstens
eine Digitalbaugruppe 12 enthalten, wobei mögliche andere
Konstellationen bei den in der unteren Reihe links angeordneten
Arbeitsgeräten 11 gezeigt
sind, nämlich
das Vorhandensein von zwei Digitalbaugruppen 12 mit jeweils
zugeordneter Analogbaugruppe oder das Vorhandensein einer Digitalbaugruppe 12 mit
zwei zugeordneten Analogbaugruppen 13. Natürlich sind
auch andere Konstellationen denkbar.
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So
ist es beispielsweise möglich,
verschiedenen Empfangskanälen
jeweils verschiedene, aus wenigstens einer Digitalbaugruppe 12 und
wenigstens einer Analogbaugruppe 13 bestehende Funktionseinheiten
zuzuordnen, wobei jede dieser Funktionseinheiten in einem Arbeitsgerät 11 angeordnet sein
kann. Solche Empfangsfunktionseinheiten werden häufig mit „RX" bezeichnet, Sendeeinheiten mit „TX". Es ist jedoch auch
denkbar, alle diese Funktionseinheiten in einem einzigen Arbeitsgerät 11 anzuordnen.
Genauso ist es weiterhin denkbar, mit einer Digitalbaugruppe 12 mehrere
Komponenten 4 anzusteuern, so dass dann auch nur ein Arbeitsgerät 11 diesen
Komponenten 4 zugeordnet ist. Es ist demnach eine beliebige
Verteilung der einzelnen Funktionen auf die einzelnen Digitalbaugruppen 12 und
Arbeitsgeräte 11 möglich, wobei
diese Funktionen allesamt aus dem Steuerrechner 14 entfernt
sind.
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Im
Steuerrechner 14 sind hauptsächlich zwei Funktionseinheiten
zu unterscheiden, nämlich
eine Elektronik 19, die die Sequenz, welche aus so genannten
Objekten aufgebaut ist, auf geeignete Steuerbefehle C abbildet,
die über
das isochrone Datennetzwerk 17 an die Digitalbaugruppen 12 gesendet werden.
Objekte sind dabei Definitionen des gewünschten Verhaltens einer Komponente 4 zu
einem bestimmten Zeitpunkt.
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Damit
diese Zeitpunkte, die kritisch für
die Funktion der Magnetresonanzanlage 1 sind, eingehalten
werden können,
muss zum einen im Steuerrechner 14 und den Digitalbaugruppen 12 ein
gleicher Systemtakt S vorliegen sowie eine Referenzzeit, die bestimmt,
wann ein Steuerbefehl C gültig
wird. Um die Synchronisation zu erreichen, ist das synchrone Netzwerk 18 vorgesehen.
Es umfasst eine im Steuerrechner 14 angeordnete Synchronisationsbaugruppe 20,
die einen Taktgeber umfasst, der den Systemtakt S beispielsweise
mit einer Frequenz von 10 MHz erzeugt. Über Synchronisationsleitungen 21 wird
der Systemtakt S an Synchronisationseinheiten 22 in den
einzelnen Digitalbaugruppen 12 weitergeleitet. Aufgrund
der Sterntopologie des synchronen Netzwerks 18 kommen diese
Signale auch zu gleichen Zeiten bei den Synchronisationseinheiten 22 an,
die alle den Systemtakt S liefern. Die Synchronisationseinheiten 22 sind
hier in den Digitalbaugruppen 12 enthalten, jedoch kann
auch vorgesehen sein, dass, falls mehrere Digitalbaugruppen 12 in
einem Arbeitsgerät 11 vorhanden
sind, dieses Arbeitsgerät 11 nur
eine Synchronisationseinheit 22 umfasst.
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Die
Sterntopologie des synchronen Netzwerks 18 wird durch einen
Splitter 23 ermöglicht,
wobei auch mehrere kaskadierte Splitter vorgesehen sein können.
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Das
isochrone Datennetzwerk 17 überträgt die Steuerbefehle C an die
Digitalbaugruppen 12, die eine dedizierte Elektronik 24 zur
Ausführung
der gewünschten
Funktionen umfasst. Die Elektronik 24 kann beispielsweise,
insbesondere im Fall der Sende- und Empfangssysteme, einen NCO enthalten. Ein
Steuer befehl bezüglich
des NCO's würde dann beispielsweise
dessen Parametrierung und den Zeitpunkt, an dem mit dieser Parametrierung
gestartet werden soll, enthalten. Die Steuerbefehle C werden über das
isochrone Datennetzwerk 17 so verschickt, dass sie in jedem
Fall die entsprechende Digitalbaugruppe 12 vor dem Zeitpunkt
ihrer Ausführung
beziehungsweise Gültigkeit
erreichen. Dies wird durch die Isochronität des Datennetzwerkes 17 erreicht,
bei dem hier ein Ringdurchlauf grundsätzlich innerhalb eines periodisch
wiederkehrenden Zeitintervalls (des Zeittakts des isochronen Netzwerks 17)
abgeschlossen ist. Im dargestellten Beispiel werden die Steuerbefehle
C im Uhrzeigersinn durch den Ring geschickt, wobei nacheinander
jede Digitalbaugruppe 12 ihre Steuerbefehle C und sonstige
Daten entnimmt und gegebenenfalls selbst Daten auf den Ring gibt.
Der Zeittakt des isochronen Datennetzwerks 17 bestimmt
sich dann im Wesentlichen aus einem Durchlauf durch den Ring.
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Damit
die Steuerbefehle C auch zum richtigen Zeitpunkt ausgeführt werden,
wird im Ausführungsbeispiel
nach 2 auch eine Zeitmarke T übertragen. Diese stellt einen
Referenzzeitpunkt dar, anhand dessen sich bestimmen lässt, wann
die Steuerbefehle C gültig
werden. Die Zeitmarke T wird dabei auch über das synchrone Netzwerk 18 übertragen,
wobei sie entweder dem Systemtakt S aufmoduliert werden kann oder
durch eine Amplitudenveränderung
des Systemtakts S kodiert werden kann. Im ersten Fall sind noch
Filter in den Synchronisationseinheiten 22 erforderlich,
um die Signale wieder zu trennen. Theoretisch ist es auch denkbar,
die Zeitmarke T über
das Datennetzwerk 17 zu übertragen, jedoch wäre dann
eine Sterntopologie geeigneter, damit die Zeitmarke T alle Digitalbaugruppen 12 zur selben
Zeit erreichen kann.
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Der
Zeittakt des isochronen Datennetzwerks 17 entspricht einem
ganzzahligen Vielfachen des Systemtakts S. So werden Störeffekte
reduziert. Es ist theoretisch auch denkbar, dass der Zeittakt des isochronen
Datennetzwerks 17 dem Systemtakt S entspricht. Dann können Steuerbefehle,
die während des
nächsten
Systemtaktes S ausgeführt
werden sollen, innerhalb dieses Systemtaktes S übertragen werden, wobei der
Systemtakt S selber als Referenzzeit dienen kann. Dann wäre keine
Zeitmarke T erforderlich.
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In
den nun folgenden weiteren Ausführungsbeispielen
bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bestandteile des Steuersystems.
Der Einfachheit halber werden nur die veränderten Eigenschaften beschrieben.
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Das
Ausführungsbeispiel
der 3 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel
der 2 lediglich in der Art der Übertragung der Zeitmarke T.
Die Synchronisationsleitungen umfassen hier erste Synchronisationsleitungen 21a,
die der Übertragung
des Systemtakts S dienen, und zweite Synchronisationsleitungen 21b,
die der Übertragung der
Zeitmarke T dienen. Damit kann kein Störeinfluss auf den Systemtakt
S vorkommen.
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Ein
drittes Ausführungsbeispiel
ist in 4 dargestellt. Dort ist das isochrone Datennetzwerk 17 nicht
als Ring ausgebildet, sondern als bidirektionales Netzwerk mit einer
Baumtopologie mit zwei Ästen.
Dabei kann beispielsweise der untere Ast für Empfangsaufgaben ausgebildet
sein, der obere Ast für
Sende- und sonstige Aufgaben.
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Zudem
umfassen die Synchronisationseinheiten 22 der Digitalbaugruppen 12 nun
einen Zeitgeber 25, ein weiterer Zeitgeber 25 ist
in der Synchronisationsbaugruppe 20 des Steuerrechners 14 vorgesehen.
Das Steuerungssystem ist nunmehr so ausgebildet, dass die Zeitgeber 25 alle
miteinander synchronisiert sind und die selbe Zeit anzeigen. Dazu
ist vorgesehen, dass ein Reset-Signal U und ein Zeitsignal V über das
synchrone Netzwerk 18 an die Zeitgeber 25 der
Synchronisationseinheiten 22 übertragbar ist. Ein Reset-Signal
U setzt die Zeitgeber 25 zurück, so dass sie alle neu starten.
Ein Zeitsignal V umfasst eine Zeit, auf die die Zeigeber 25 gesetzt werden.
So ist eine Gleichstellung der Zeitgeber 25 möglich. Die
Synchronisation erfolgt wiederum über den Systemtakt S.
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Selbstverständlich ist
es auch möglich,
die Signale U, V über
das isochrone Datennetzwerk 17 zu übertragen. Alternativ können auch
erste Synchronisationsleitungen 21a für den Systemtakt 21 und
zweite Synchronisationsleitungen 21b für die Signale U, V vorgesehen
sein, wie bereits in 3 gezeichnet.
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Die
Gleichstellung der Uhren muss nicht, wie hier gezeigt, über die
Signale U, V erfolgen, sondern es kann auch ein insbesondere über das
Datennetzwerk 17 arbeitender Angleichungsalgorithmus verwendet
werden, wobei jeder konvergente Algorithmus Verwendung finden kann.
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In
allen Ausführungsbeispielen
sind die Netzwerke 17, 18 skalierbar ausgelegt,
so dass sie in ihrer Bandbreite beliebig erweitert werden können.